电子元件冷焊应用冷焊技术的发展及应用|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

冷焊技术的发展及应用

摘要：冷焊技术是一门新型发展起来并得到广泛应用的技术，在很多传统焊接技术无法满足的情况下扮演着重要的作用。冷焊是应用机械力、分子力或电力使得焊材扩散到器具表面的一种工艺，常用于修复超差，涂层。在物理学中纳米尺寸下必须考虑的一种负效应。

冷焊机的原理是利用充电电容，以10-3~10-1秒的周期，10-6~10-5的超短时间放电。电极材料与模具接触部位会被加热到8000~10000摄氏度，等离子化状态的熔融金属以冶金的方式过渡到工件的表面。由于与母材之间产生了合金化作用，向工件内部扩散，熔渗，形成了扩散层，得到了高强度的结合。

实现冷焊的原理是放电时间与下一次放电间隔时间相比较短，机器有足够的相对停止时间，热量会通过模具基本体扩散到外界，因此模具的被加工部位不会有热量聚集。虽然模具的升温几乎停留在室温，可是由于瞬时融化的原因，电极尖端的温度可以到达10000摄氏度左右。焊条瞬间产生金属熔融，过渡到母材金属的接触部位，同时由于等离子电弧的高温作用，表层深处开成像生了根一样的强固的扩散层，呈现出高结合性，不会脱落。

由于冷焊区别于传统意义的焊接，冷焊剂的硬度、粘附力和强度特别高，几乎没有收缩率，能可靠的防止许多化学作用、物理应力和机械应力等，人们又称其为“液体金属”。采用合理的工艺，选择适当的化学粘合材料将同种材料或异种材料连接在一起，实现连接、密封、固持、功能涂层，是冷焊当前的主要应用之一。

冷焊可以用来对一切金属以及几乎所有的其他各种原材料进行相互连接、固定焊接和密封，硬化后和金属一样能锉、刨、磨、铣、抛光、车、喷丸等，能用各种刀具进行加工。对于修复旧设备，减少制造过程的废次品，具有重要意义。

再者某些材料的连接用一般的焊接法时，由于焊接时温度高，不仅有损材料的强度，而且还容易变形，特别对薄型材料就更成问题。但这些问题对冷焊来说是不存在的，因为冷焊是在常温下进行，同时接头的应力能比较均匀地分布在全部胶面上，从而改善了金属由于焊、铆、螺栓连接所引起的上述部分问题，提高了疲劳寿命。

现在随着冷焊技术应用的成熟，高分子复合材料类冷焊应用较为稳定广泛，其中较具权威的有美国美嘉华高分子复合材料冷焊技术。其可以很好避免热应力变形，同时材料良好的附着抗压、抗腐蚀等综合性能，可以最大限度地满足各种设备部件的使用，从而在最低成本的投入下有效保证生产。

冷焊技术最常用的一个方面，便是焊接铸铁件。在焊接工艺中，直接用碳钢焊条补焊铸铁件，其困难有三：一是母体金属碳质向焊缝扩散，在迅速冷却中成为白口铁或高碳钢；二是由于在冷却后母材与焊缝间残存巨大内应力。

因此，若不采取特殊工艺措施，施焊中或焊后会随即开裂。即使侥幸成功，也难于作用下一步的切削加工。用冷焊技术便可解决上述问题。焊后工件焊缝强度高于母材，可切削加工。

焊前首先要清理工件，去除油污，查明裂纹和破损形态。为此可用气焊枪或喷灯加热，再用钢丝刷清理，细微裂纹须用四氯化碳洗净后细心检查。在裂纹端头开孔止裂，再沿裂纹开孔。

清理做好后，需要焊熔敷打底层。首先在焊槽坡口两侧分别熔敷第一层，这一层应薄而均匀，完全覆盖坡口，使以后各层不再接触母体金属。为此，选用尽可能小的电流：交流60~80安，直流略小一点，焊条直径2.5毫米。小于5毫米的薄件，用1.6毫米焊条。为了防止产生热应力，要掌握“继续、分散、低温起焊”的原则。每段以15~25毫米为宜，每次起焊温度要低于60度，并及时撞击。

清理渣、瘤之后，在打底层上面堆焊第二、三、四层。方法也如打底层一样，但应注意勿再触及母体金属。两侧坡口填充到只剩下3~4毫米缝隙，即可盖面合缝。

整个焊缝由打底、充填、盖面三种层次组成，各起不同作用。打底层直接与母体金属接触，大量的碳素扩散到这一层，使得本来为低碳钢的焊条材料变成高碳钢，冷却后形成以网状渗碳体为主、夹有马氏体、屈氏体和残余奥氏体的结构，在与母体金属之间的界面上，还会出现一层0.07~0.34毫米的白口铁。

这并非是一个理想的结构，但它在母体金属与焊缝之间形成一堵“墙”，有效地阻挡住碳素再向其后各层扩散，而且，这一层又很薄，他减少了母材成分在焊缝中的融合比，这正是获得成功的关键点。

填充层除作为焊料之外，另一个重要作用是对底层作多次反复的退火。金相分析表明：第一层熔敷打底所产生的界面白口铁，在其后作了第二层充填时，已缩减为0.2毫米以下，呈不连续薄片填第三层之后，白口铁进一步缩减到0.0毫米以下，原先白口铁界面只残存极少量不连续薄片，其余均以转化为网状渗碳体+马氏体+残余奥氏体；第三、四层均为低碳钢正火组织：铁素体+索氏体，母材过热区则是片状石墨+回火屈氏体或回火索氏体。

盖面层的作用是最后的封闭裂缝，它也起着对以前各层焊料的退火作用。由于离母材金属已远，焊料成分完全不受母体干扰，保持了应有的强度和塑性。此时，所有各层已经多次退火，残余白口铁几乎全部转化，对切削加工已无影响。

为了防止热应力的破坏作用，采取了相应措施：焊前开透孔，开通槽底使两边金属完全分离，这样在施焊过程的大多数时间里，母体金属可自由涨缩，不致产生过高应力；后期盖面时的热应力主要有塑性盖面层承受，其次，施焊中的气体、熔渣极易排出，再加上分段、断续、低温起焊、锤击等常规措施，均可使热应力的破坏作用减到最低限度。

经实践证明，此工艺方法在实际生产中成功率达85%以上，经实验，证明焊缝强度超过母材，可以切削加工。“结422”普通焊条比焊铸铁专用高镍焊条便宜许多，全部作业过程又不需特殊装备，因此采用此工艺方法，焊补铸件具有很高的经济效益。

冷焊技术在舰船应急抢修中的应用也非常广泛，主要表现在船体应急修补和关键设备修理两方面。

1）船体应急修补现代船舶制造早已突破了传统的铆钉、螺丝、焊接等固定方式，而采用不同材质如铝材、生铁及轻型合成材料的粘合组装技术。由于船舶航行于江、河、海等特殊环境，气候复杂多变，因此存在大量的临时性修理工程，如船体粘接修补、零件的结构粘接和修复等施工。

（1）水下抢修。大型水面舰艇吨位大、携带仪器设备等比较多，同时担负着重要的战备训练任务，航行的水域环境比较复杂，遇到的临时抢修任务也很多。某舰在航行过程中船体水下部位破裂7个孔洞，直径均在10mm左右，严重影响舰艇航行和主机等设备安全。

抢修人员采用冷焊技术进行修补，根据船体结构和破损部位决定使用加强型MM-UM聚合金属粘结材料附加玻璃纤维布的方法进行局部除锈的表面处理，最后进行水下修复。值得一提的是，该材料具有水中直接施工的特点，，且粘结稳定、牢固，经过6个月以上的航行检验，修补部位完好无损。

（2）甲板修理。船用甲板敷层种类比较多，对其修补应该重点考虑被修基体的材质。甲板敷层修理时要对被敷层钢板进行表面处理，除油、漆、锈等杂质，并保持干燥。将选定的修补材料进行调制等预处理，均匀涂覆在甲板表面，并刮平光表面，常温固化即可，紧急时可进行加温固化。某艇经过甲板表面处理修复后，修复处性能和正常甲板相近，使用2年以上未出现问题。

2）关键设备修理

舰船主机、油柜等关键设备的正常运行关系到整舰的安全航行，对于这些设备损坏和故障应该及时修复，并保持可靠运行。

（1）油柜修理。舰船油柜焊缝及油舱底部的高压油管接头焊缝处比较容易泄露，而一旦发生泄露将直接影响油舱中储油品质的变化。由于震动的缘故，这些部位即使是正常焊接也容易再次开裂损坏，考虑这一情况，采用高弹金属——橡胶混合修补剂进行修复，不仅有效堵漏，而且抗震动，经过实船航行验证，效果良好。

（2）柴油机修复。船用柴油机由于长期处于环境恶劣的工作环境之中，振动和疲劳严重，缸体外壳往往出现裂纹损伤。某船柴油机缸体出现长达2m以上的裂纹，宽度1mm，渗油严重，如不采取措施裂纹讲继续扩大，严重影响柴油机正常运转。经过现场勘查、论证，采用特制MM-OL钢陶瓷带油修复技术，对缸体表面直接进行修补，快速完成了抢修任务，被修船迅速投入正常航行。

上汽通用五菱汽车：冷焊工艺在汽车覆盖件模具中的应用

1制件缺陷现状描述

图1所示为某车型后侧门外板拉深模，模具外形尺寸为3 760 mm×2 080 mm×1 098 mm，下模座的材质为HT300，因制件属于外观件，成形时不能有表面质量缺陷[1]，故凸、凹模和压边圈的材质采用GGG70L，该材质具有铸造性能好、高耐磨性、高强度、高硬度、抗冲击韧性良好、易切削、淬透性好、热处理变形小等优点[2]，基体硬度为210~260 HB；门外板材质为HC180BE+Z-PO 35/35-FD，材料厚度为0.65 mm。

图1 拉深模

模具调试过程中成形制件出现图2所示的缺陷，缺陷具有分布集中、形状颗粒较大、蜂窝状及麻面状特征，对制件A面造成不可修复的缺陷。

图2 制件缺陷

2缺陷分析

模具制造过程中，在模具零件精加工完成后，检查加工质量时，发现凸、凹模型面上有较多如图3所示的缩松，其研合抛光完成后缩松如图4所示。

图3 加工后缩松

图4 抛光后缩松

缩松是指金属液在型腔内凝固时，当合金凝固温度范围较大时会形成较宽的凝固区域，在凝固区域内是按体积凝固方式进行凝固，即同时形成晶核并长大。到凝固后期固相比例大，枝晶生长连成骨架，把未凝固金属液分割成孤立或近似孤立的小熔池，这些金属液凝固时难以得到补缩，形成许多细小、分散的小孔。

根据上述缩松形成机理可知，缩松是在铸件外表面开始凝固形成薄层硬壳至铸件中心凝固完毕时期内形成的，故缩松隐藏于铸件的内部，不易被发现。在模具零件表面质量检查、半精加工时均没有发现此类缩松，而在精加工完成后发现此缺陷[3]。

3缺陷补救措施

为了解决上述缺陷问题，经过对成本、品质等多方面比较，可采取的解决方案有：①模具零件重新加工，将表面缺陷以加工的方式去除，重新做基准、研合、调试；②采取去掉缺陷后补焊的方式。综合考虑成形制件的交付期、成本及模具零件缺陷的大小等，决定采用方案②消除缺陷。

传统的铸造缺陷修复方法有机械加工、熔焊、熔解扩散焊。传统的焊接修复方法需要昂贵的设备、熟练的技术工人，耗费大量的能源且污染环境，危害人体健康。模具零件因为焊接时产生大量热量而产生变形、开裂等缺陷，导致修复效果不理想，并带来较大的工作量，甚至造成模具报废，交付期延后，成本增加。

随着新技术、新材料的发展和应用，对铸件缺陷的修复有了新的方法，其中冷焊技术是近年来常用的较经济、安全、实用、便捷的修复方法。冷焊机是根据类似放电加工机的电路原理研究开发的。

冷焊机是通过微电瞬间（10-6~10-5 s）放电，因放电时间（Pt）与下一次放电间隔时间（It）相比极短，机器有足够的散热时间，热量会通过零件基体扩散到外界，所以修复零件的部位不会有热量聚集，即零件的升温停留在室温，故该焊层是在非常低的热输入下产生，避免了热应力变形。在接触区域电极被加热到8 000~25 000 ℃，并在电离状态下将少量电极转移到修复零件上，并产生牢固的冶金结合[4]。

据国内外专家研究，大部分冷焊机的工作原理均满足式（1），现所述的缺陷修复采用的波形如图5所示，从波形的特征可知，2个脉冲间隔之间没有维弧电流，如图6所示，随即进入熄弧冷却阶段，因而冷却时间大于加热时间，该过程中有足够的冷却时间使得零件一直处于常温状态[5]。

图5 电流和电压波形

图6 脉冲电源工作示意图

（1）

式中：Ks——外部特性的斜率；Ia——焊接电流绝对值；Ua——焊接电压绝对值；Is——焊接电流基准值；Us——焊接电压基准值。

从第n次脉冲周期Tpb（n）开始时计算式（1）的积分值Svb。第n次的预先设定峰值期间结束时，在第n次谷值期间中当积分值Svb=0（或Svb≥0）时第n次的脉冲周期Tpb（n）终止。在式（1）积分值Svb的公式中，不包括峰值电流Ip与谷值电流Ib为恒定值的前提条件，能够广泛适用于脉冲电弧焊接[6]。

相对于传统手工焊条电弧焊，冷焊的优缺点如表1所示。

表1 传统手工焊条电弧焊与冷焊的优缺点

因该铸造缺陷正好对应制件外观型面呈分散状态，若采用传统补焊方式，需先加工缺陷处，再补焊加工的区域，补焊完成后再加工补焊区域，其工艺过程长，重点是其热影响区会造成模具零件型面变形且硬度不均匀，产生凹陷或凸面，该缺陷会在成形过程中呈现在制件上，无法消除。而采用冷焊方式修复在模具零件表面无热量输入，故无变形，在模具零件表面不会产生残余应力及凹凸面；补焊完成后，钳工手工修复即可，减少了加工工序，缩短了修复时间，节约了成本。通过对比二者的优缺点，采用冷焊工艺修复此型面缩松缺陷更有利。

模具零件型面缺陷的冷焊工艺过程如下：将厚度为0.1 mm的碳钢材料薄片粘贴在缩松位置[7]，如图7所示，用冷焊机焊接，使薄片与铸件材质熔接在一起，再通过钳工使用磨头、锉刀等工具手工修复补焊位置的型面，使其光滑平整[8]，如图8所示，使该区域型面缩松被覆盖，且型面具有连续性，无凹凸不平等缺陷。